供稿|蔣泓清, 黃先亮, 黃志兵 / JIANG Hong-qing, HUANG Xian-liang, HUANG Zhi-bing

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非調(diào)質(zhì)鋼具有節(jié)約能源、性能優(yōu)良、降低成本和綠色環(huán)保等主要優(yōu)點(diǎn),因而得以廣泛應(yīng)用.文章概述了合金元素對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼性能的影響,并分析了氮和硫在非調(diào)質(zhì)鋼中所起的作用;簡(jiǎn)述了非調(diào)質(zhì)鋼的一般采用的最終熱處理方式;介紹了非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用前景、發(fā)展方向和探討了提高未來(lái)提高非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的途徑.

非調(diào)質(zhì)鋼是一種高效節(jié)能鋼,無(wú)淬火和高溫回火工序其性能即能達(dá)到中碳調(diào)質(zhì)鋼的水平,因此同時(shí)也省去了熱處理設(shè)備,簡(jiǎn)化的生產(chǎn)工藝并降低了能耗,使制造成本相比調(diào)質(zhì)鋼也降低了25%~38%,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.第一代非調(diào)質(zhì)鋼是于1972年由德國(guó)THMSSEN公司開(kāi)發(fā)成功,以鐵素體-珠光體鋼49MnVS3為代表[1],因其韌性差而影響了其廣泛的應(yīng)用.第二代非調(diào)質(zhì)鋼是在20世紀(jì)80年代初被開(kāi)發(fā),主要有貝氏體型和鐵素體-珠光體兩大類[2],貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼以其良好的強(qiáng)韌性可以代替合金調(diào)質(zhì)鋼;現(xiàn)代一系列新技術(shù),如晶粒細(xì)化法和氧化物冶金技術(shù)等均是應(yīng)用于提高鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼的韌性,使其能夠更廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn).第三代非調(diào)質(zhì)鋼在20世紀(jì)末由美國(guó)的Wright提出[3],碳含量低是其顯著特點(diǎn),具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性.

我國(guó)非調(diào)質(zhì)鋼研發(fā)起步較晚,于1981年才開(kāi)始研制非調(diào)質(zhì)鋼.由于研制的非調(diào)質(zhì)鋼品種不多并且存在冶金質(zhì)量不穩(wěn)定等難題,直到1995年才完成了對(duì)9個(gè)鋼種的列標(biāo)[4].1995年10月由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了GB/T15712-1995《非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼》.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定名稱為非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼,定義為:在中碳鋼中添加微量合金元素(Ti,V和Nb),通過(guò)控溫軋制和冷卻,在珠光體和鐵素體中彌散析出氮(碳)化合物強(qiáng)化相,使之在軋(鍛)后不用經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理就能得到如同經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的合金結(jié)構(gòu)鋼或碳素結(jié)構(gòu)鋼所能達(dá)到的力學(xué)性能的鋼種.

合金元素與氮、硫?qū)Ψ钦{(diào)質(zhì)鋼的影響

為了使非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能與調(diào)質(zhì)處理的鋼種性能相當(dāng),通過(guò)在冶煉過(guò)程中適量加入微合金元素(Nb,Ti,V)和適當(dāng)控制軋制工藝來(lái)改變基體組織的形態(tài)[5]來(lái)達(dá)到.非調(diào)質(zhì)鋼一般是在中碳鋼中加入一定量的錳和微量的釩、鈦和鈮等元素[6-8].沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)化鐵素體晶粒強(qiáng)化是非調(diào)質(zhì)鋼的主要強(qiáng)化方式.以下簡(jiǎn)要說(shuō)明該種鋼的強(qiáng)化機(jī)理和各元素在非調(diào)質(zhì)鋼中所起到地作用.

(1) 錳.在非調(diào)質(zhì)鋼中加入錳,可以彌補(bǔ)由于碳含量降低而引起的強(qiáng)度降低[9].錳在鋼中與鐵互溶,形成固溶體,部分和鐵、碳化合,形成滲碳體,提高鋼中鐵素體和奧氏體的強(qiáng)度和硬度.錳同時(shí)還能夠推遲鐵素體→珠光體的轉(zhuǎn)變,并降低貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度,有利于形成細(xì)晶組織,最終達(dá)到提高鋼的強(qiáng)度和韌性的作用.當(dāng)錳含量在1.5%以下時(shí),增加錳含量鋼強(qiáng)度明顯提高,而塑性和韌性幾乎不變,原因是在此含量下,鋼的相變溫度下降,使得鐵素體晶粒和珠光體團(tuán)及珠光體層片間距都減小所致.當(dāng)錳含量大于1.5%時(shí),強(qiáng)度隨著錳含量地增加明顯提高,但塑性和韌性明顯降低.這是因?yàn)榻M織中貝氏體數(shù)量隨之增加的緣固.

(2) 硅.與錳類似,都在鋼中起到良好的脫氧和脫硫的作用,鋼的強(qiáng)度和硬度也隨著硅的含量增加而增加.硅還能夠抑制碳化物的形成,增加殘余奧氏體的穩(wěn)定性,提高鋼的回火抗力,使得在低溫轉(zhuǎn)變區(qū)能夠通過(guò)緩冷來(lái)達(dá)到提高鋼的塑韌性效果.

(3) 鉻.在鋼中形成難溶解的碳化物,在短時(shí)間加熱條件下有阻礙晶粒長(zhǎng)大作用.實(shí)驗(yàn)證明,1%的鉻能使強(qiáng)度提高100 MPa,對(duì)韌性也有利.

(4) 釩.釩是最常用而又有效的強(qiáng)化元素,其主要作用是通過(guò)形成碳和氮的釩化物來(lái)影響鋼的組織和性能.V(C,N)在奧氏體晶界的鐵素體中沉淀析出,在鋼中起到細(xì)化晶粒的作用,可提高鋼的強(qiáng)度和韌性[10].釩加入鋼中能獲得最大的沉淀強(qiáng)化結(jié)果.

(5) 鈦.鈦的化合物可作為晶內(nèi)鐵素體的核心,提高鋼的韌性.鋼中鈦含量在0.02%左右時(shí),能夠抑制奧氏體晶粒粗化.鈦在鋼中能夠形成TiC,其能夠在1300℃時(shí)保持穩(wěn)定[11],在此高溫穩(wěn)定的TiC質(zhì)點(diǎn),可以細(xì)化晶粒并降低的鋼的過(guò)熱傾向性.

(6) 鉬.鉬在鋼中使得碳在奧氏體的中的擴(kuò)散激活能增高,推遲碳化物析出過(guò)程,鉬還能強(qiáng)烈阻礙先共析鐵素體的析出和長(zhǎng)大,促進(jìn)密度位錯(cuò)的針狀鐵素體的形成,從而增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度.

◆ 氮對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼的影響

實(shí)驗(yàn)研究表明,在含釩的非調(diào)質(zhì)鋼中,氮是一種十分有益的元素,其在鋼中所起的主要作用如下:

氮能促進(jìn)V(C,N)的析出,減小析出相尺寸,使釩的沉淀強(qiáng)化作用得以充分發(fā)揮[12].季懷中等[13]研究表明,氮含量越高則V(C,N)的析出溫度越高,且其析出驅(qū)動(dòng)力也增加.因此,含氮量高的釩鋼在熱加工冷卻時(shí),能夠在較高溫度下析出V(C,N),增加了V(C,N)析出數(shù)量[14].由表1可以看出隨著氮含量從0.008%增加到0.018%時(shí),V(C,N)的析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)也由0.0498%增加到0.1062%.

表1 氮含量對(duì)V(C,N)的析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

氮還能夠改變釩的相間分布.在含氮量高的鋼中,有70%的釩以V(C,N)的形式析出,僅剩20%的固溶于基體,此結(jié)果表明只有釩鋼中含有足夠的氮才能充分發(fā)揮釩的沉淀強(qiáng)化作用.在同樣強(qiáng)度條件下,鋼中增氮可以節(jié)約20%~40%的釩的用量.在鋼中氮化物比碳化物的穩(wěn)定性更高,分布更彌散且顆粒更細(xì)小,所以其強(qiáng)化效果更好.

氮能夠提高TiN穩(wěn)定性,細(xì)化奧氏體晶粒[15].實(shí)驗(yàn)表明,氮能提高TiN顆粒對(duì)奧氏體晶界的釘扎作用.該釘扎作用只有氮含量超過(guò)Ti/N理想配比時(shí)才能最有效果.在含有Ti的鋼中,當(dāng)?shù)窟_(dá)到(110~160)X10-6時(shí),由于TiN的穩(wěn)定性的提高,并減少了高溫中TiN的再溶解[16-17],提高了奧氏體的粗化溫度至1300℃以上,高溫下未溶的TiN釘扎了奧氏體晶界阻礙其長(zhǎng)大,細(xì)化了奧氏體晶粒.

◆ 硫?qū)Ψ钦{(diào)質(zhì)鋼的影響

硫元素一般情況下認(rèn)為其為有害元素,其含量應(yīng)越低越好.硫在鋼中主要以FeS存在,其熔點(diǎn)較低,并且與鐵形成的共晶體熔點(diǎn)更低.該組織凝固在晶界上,當(dāng)鋼被高溫加熱會(huì)造成晶界熔融,出現(xiàn)熱脆現(xiàn)象[18].但是,硫在鋼中也有利的一面,非調(diào)質(zhì)鋼中通常會(huì)加入0.035%~0.08%的硫來(lái)提高鋼的切削性能.

熱處理工藝的影響

非調(diào)質(zhì)鋼都是空冷冷卻,將熱加工和熱淬火工序合并,省去了較大能源消耗工序簡(jiǎn)化了工藝,而且也避免了淬火工藝中的變形、氧化和脫碳等熱處理缺陷.非調(diào)質(zhì)鋼成分上采用低碳、復(fù)合加入合金元素,最終目標(biāo)為得到高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的貝氏體組織,具有較好的強(qiáng)韌性配合[19].非調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理一般采用回火處理,有利于提高綜合性能,使產(chǎn)品最終性能達(dá)到理想狀態(tài).

貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的性能隨回火溫度的變化規(guī)律主要與殘余奧氏體的分解及殘余奧氏體的性能相關(guān).低溫回火時(shí)可以使得殘余奧氏體的碳含量高于1%,鋼中的硅也促使鐵素體中的碳向奧氏體中偏聚,提高了其穩(wěn)定性.另外,當(dāng)?shù)陀?00℃溫度回火時(shí),殘余奧氏體的低碳區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,也使得剩余的奧氏體中的碳濃度提高[20-21],從而得到強(qiáng)化的殘余奧氏體,而且使殘余奧氏體不易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,最終表現(xiàn)為材料的機(jī)械穩(wěn)定性更高.

非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用和發(fā)展方向

自非調(diào)質(zhì)鋼問(wèn)世以來(lái),由于其無(wú)調(diào)質(zhì)處理環(huán)節(jié),具有節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和可以避免工件熱處理時(shí)變形開(kāi)裂等優(yōu)點(diǎn),因此受到世界各國(guó)的普遍重視.隨著近幾年來(lái)對(duì)改善非調(diào)質(zhì)鋼韌性技術(shù)的不斷創(chuàng)新,非調(diào)質(zhì)鋼的品種得到較充分地開(kāi)發(fā),這樣就使其應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大.

汽車作為一種交通工具應(yīng)用最為廣泛,而車輛上的好多構(gòu)件如前橋、彈簧和前軸等都對(duì)所用鋼種要求有高的強(qiáng)韌性配合.在德國(guó)和日本這些汽車行業(yè)很發(fā)達(dá)地國(guó)家,貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼在車輛中的應(yīng)用非常常見(jiàn)[22].日本東京鋼鐵公司研制的主要成分以貝氏體為主并含少量鐵素體和珠光體的非調(diào)質(zhì)鋼,其抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到800 MPa以上,常溫沖擊韌度為50 J/cm2.用貝氏體鋼制造的各種車用彈簧鋼也比常用的彈簧鋼制品具有更長(zhǎng)的壽命和更高的安全性.

在使用到齒板、沖擊錘、襯板、護(hù)鉤、護(hù)甲等機(jī)械構(gòu)件的冶金、電力、礦山、化工和建材等行業(yè),僅中國(guó)一年的消耗量就達(dá)到100萬(wàn)t以上.在工件磨損方面,我國(guó)每年經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)約400億元.在以上這些領(lǐng)域,由于此類工具都承受著較大的沖擊力,因此對(duì)鋼要求要有好的強(qiáng)韌性配合[23].例如:我國(guó)礦山機(jī)械上使用的貝氏體+馬氏體復(fù)相組織的磨球,其表面硬度達(dá)HRC 56~62,心部達(dá)HRC 54~57,沖擊韌度達(dá)到17 J/cm2;礦山掘進(jìn)機(jī)和采煤運(yùn)輸機(jī)上大量使用的刮板等也為貝氏體鋼,硬度為HRC 40,沖擊韌度為40 J/cm2.

超低碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼具有較好的低溫焊接性能和高的強(qiáng)韌性配合,常應(yīng)用在海洋設(shè)備、艦艇和運(yùn)輸船上.超低碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用,美國(guó)和日本走在世界前列.20世紀(jì),寶鋼和武鋼已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了該鋼種的Cu2Nb2BT系和Mn2Nb2B系非調(diào)質(zhì)鋼[24],隨后鞍鋼和上鋼三廠也相繼開(kāi)發(fā)出了此類型的不同型號(hào)的鋼種.

非調(diào)質(zhì)鋼最常見(jiàn)同時(shí)用量最多的要數(shù)鐵路行業(yè).采用貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼所生產(chǎn)的火車車輪比用常見(jiàn)鋼種CL60的強(qiáng)度提高13%,塑性變形能力提高23%,沖擊韌度也提高近3倍,因此大大提高了車輪的抗剝離性能.為了達(dá)到鐵軌等鐵路設(shè)備對(duì)鋼的高強(qiáng)度、高韌性和高耐磨性的的要求,實(shí)際用鋼一般采用高錳鋼,但使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題.貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼以其1300 MPa的抗拉強(qiáng)度,90 J/cm2的沖擊韌度和達(dá)到20%的斷面收縮率使得鐵路設(shè)備的使用壽命明顯提高.

貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)越性能同樣也受到石油業(yè)的關(guān)注.非調(diào)質(zhì)鋼的運(yùn)用使得石油采集和輸送過(guò)程成本顯著降低.日本鋼鐵公司開(kāi)發(fā)的X70和X80貝氏體鋼,屈服強(qiáng)度高于500 MPa,脆性轉(zhuǎn)變溫度也能夠達(dá)到零下80℃,并且成本低廉,使用壽命可提高好幾倍.唐山鋼鐵公司也研制出了工藝簡(jiǎn)單且達(dá)到國(guó)標(biāo)GB7229要求的非調(diào)質(zhì)鋼FG20.

非調(diào)質(zhì)鋼在模具方面也有較大的應(yīng)用潛力.過(guò)去模具鋼通常采用45鋼、40Cr鋼和Cr12MoV鋼等[25],但所生產(chǎn)的模具加工性能和耐磨性差,表面粗糙度高,熱處理困難,并且產(chǎn)品外觀質(zhì)量較差.而貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼可不經(jīng)過(guò)熱處理并且性能優(yōu)越,因此在模具領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

展望

非調(diào)質(zhì)鋼以其節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和能減少工件變形和開(kāi)裂等優(yōu)點(diǎn),受到世界各個(gè)國(guó)家的普遍重視.隨著產(chǎn)品系列的不斷完善,其使用范圍也在不斷擴(kuò)大,現(xiàn)已大規(guī)模地應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè).隨著研究的不斷深入和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,現(xiàn)如今非調(diào)質(zhì)鋼在以下幾個(gè)方向仍有待深入研究和發(fā)展.

(1) 成分的優(yōu)化設(shè)計(jì):通過(guò)調(diào)整C、Mn、Ti、Mo、V等元素含量,開(kāi)發(fā)出成本更低、性能更為優(yōu)良的非調(diào)質(zhì)鋼.在性能優(yōu)越的前提下,如果增加非調(diào)質(zhì)鋼的成本優(yōu)勢(shì)才更能搶占市場(chǎng)份額.

(2) 開(kāi)發(fā)復(fù)相組織:現(xiàn)在貝氏體型、鐵素體-珠光體型和馬氏體型和馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼相繼得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[26].其中鐵素體-貝氏體型和鐵素體-馬氏體型組織的非調(diào)質(zhì)鋼因其成本低、性能優(yōu)良正在被一些公司開(kāi)發(fā).

(3) 變革生產(chǎn)工藝:主要包括純凈鋼的冶煉技術(shù)、硫化物細(xì)化和均勻分布技術(shù)、精煉技術(shù)、控軋控冷技術(shù)、鑄坯成分偏析控制技術(shù)和晶內(nèi)鐵素體控制技術(shù)等[27].

(4) 采取措施使得非調(diào)質(zhì)鋼質(zhì)量得以保證,開(kāi)發(fā)具有良好強(qiáng)韌性配合的非調(diào)質(zhì)鋼,使其的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊,擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼在橋梁、建筑和石油化工等行業(yè)的應(yīng)用范圍.

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